申泮文：中国科学院院士、无机化学家和化学教育家、南开大学教授。
自日本9.0级大地震诱发福岛核电站危机以来，核泄漏、核辐射、核安全、核恐慌……众多以“核”为关键词的讨论声浪，在人们心中卷起层层阴云，乃至流言四起，甚而有人担心起毁灭性的核爆炸。
借用日本作家村上春树作品《当我谈跑步时，我谈些什么》的书名，我们不妨自我发问，当我们谈论“核”时，我们究竟谈些什么？原子核，对大多数人而言，依然既熟悉又陌生。
日前，南开大学举办科普讲座，院士专家先后登台为学子和公众“科普解惑”。
95岁高龄的中国科学院院士、南开大学教授申泮文登上讲坛，以“核辐射离我们有多远”为主题，以化学家的眼光和视角，深入浅出地介绍核知识，并解析福岛核电站危机中的重重疑云，以期揭开包裹在“核”之上的神秘面纱。
细说核裂变：微小反应的庞大效应
申泮文从原子核裂变反应所需的基本元素铀说起。铀是元素周期表中第92号元素，意味着铀原子核内有92个质子。这个在自然界中能找到的最重元素，天然存在着三种同位素，占0.0056%的铀-234，0.718%的铀-235以及99.27%铀-238。
第二次世界大战之前，在德国工作的奥地利女科学家迈特纳与其老师奥托·哈恩等人发现了原子核裂变反应，其中包括铀-235与一个中子相撞之后裂变为两个原子的现象。
铀-235发生裂变，必须吸收一个运动速度较慢的中子，让它慢慢地“溜”到原子核中。生成的铀-236不稳定，立刻就分裂成两个原子。92号元素铀的分裂过程中，包含几个重大问题。
首先，铀-235分裂成质子数之和为92的两个原子，变成两种元素。例如，可以分裂成钡（Ba，质子数56）和氪（Kr，质子数36）；氙（Xe， 质子数54）和锶（Sr，质子数38）；锑（Sb，质子数51）和铌（Nb，质子数41）；碘（I，质子数53）和钇（Y，质子数39）等等。而这些元素的同位素，通常具有放射性，有的放射寿命很长，有的则较短。媒体中提到的碘-131，就是裂变之后产生的一种放射性很强的碘同位素，会对人体造成放射性污染。
其次，裂变产生的两个新原子核，其质量之和少于原来铀-235的原子核质量，质量亏损将转变为巨大的能量。依照爱因斯坦的质能方程，其产生的能量相当于化学反应热的百万倍。由此，“裂变能”成为原子弹的基础，也是原子能裂变反应堆放热的依据。
同时，在裂变反应中会产生2到3个多余中子，经过一定控制，将其速度减慢后则又可以“钻进”铀-235原子核中。这样一来，就将引发原子核分裂的“链式反应”，又叫“雪崩式反应”。这同样是原子弹所必需的条件。而对核电站而言，则需要控制中子，用控制材料“吃掉”中子以减少“链式反应”，从而产生稳定的热量，这是原子能反应堆的基本原理。
除此之外，核裂变反应中会产生辐射，为了不让放射性裂变材料飞逸出来造成污染，因此核电站的整个反应堆都必须密闭。
申泮文在讲座中提到，他对原子核裂变反应的关注，始于1945年8月美军在日本上空投下的两颗原子弹。
原子弹的威力震惊了整个世界。因核裂变反应的发现对人类产生了重大影响，诺贝尔评奖委员会在1945年11月15日宣布，将1944年诺贝尔化学奖授予德国放射化学家和物理学家哈恩，而犹太人迈特纳则未获提名。申泮文介绍说，科学界没有忘记迈特纳，1994年，国际纯粹化学与应用化学联合会通过决议，将第109号元素命名为Meitnerium，以纪念核物理学家迈特纳。
拆解核电站：控制系统是要害
二战结束之后，各国渐次开始对原子能和平利用的探索研究。利用核裂变能量发电，是迄今最为重要的利用方式。申泮文打开一张“压水型原子裂变堆示意图”，解释核电站的核心结构部件及其运行原理。
由安全壳包裹的燃料棒、控制棒、重水、冷凝器、水泵、蒸汽与冷热水循环系统等，构成反应堆的“核岛”。
熔点高达2800摄氏度的二氧化铀经高温、高压熔接形成铀棒，作为核反应堆的燃料棒。其中所含铀-235是经离心机等装置特别提炼浓缩而成，二氧化铀仅占到整个铀燃料棒的3%到4%。铀-235发生核裂变反应，产生核电站发电所需热量。
在反应堆中，控制棒是“吃”中子的材料，通常由金属镉或者硼的合金制成，通过对中子的吸收来控制核裂变“链式反应”的速度，从而稳定释放“裂变能”。在福岛核电站危机发生后，日本方面通过直升机向反应堆喷水的同时喷撒硼酸，正是试图用硼自然吸收中子。
核裂变产生的能量需要被水吸收，从而转化为水蒸气携带的热能。由此，燃料棒、控制棒和水，均被耐高压材料金属锆制成的外壳，密封在反应堆“核芯”内。这样构成的一个“锅炉”，需要由控制棒操纵机将水蒸气温度保持在300摄氏度，实现自动定温控制。另一方面，300摄氏度的水蒸气在密闭壳内产生的压强将接近86个大气压，这成为反应堆的风险之一。
“压水堆”类型的核反应堆，水在其中充当传热介质以外，还有一个重要作用是作为中子的“减速剂”。中子与水中的氢原子质量相当，二者在碰撞中可以使得中子变慢，进而得以被铀-235吸收持续发生链式核裂变。
在自成体系的反应堆“核芯”之外，则是一整套由水泵控制的水循环系统，通过热量交换最终带动发电机发电。水经过热交换器和冷凝器等装置，循环往复带走反应堆中不断产生的“裂变能”。
至此，控制棒在整个系统中发挥着至关重要的作用。核裂变反应增多导致温度升高时，控制棒自动伸入燃料棒之间吸收中子；而当温度降低，控制棒则自动拉出，以增多核裂变反应的发生。
申泮文说，在整个核反应堆系统中，放射性物质都被滞留在封闭安全壳内，所以核科学技术专家认为核能为清洁能源是正确的。
随后，申泮文指出整个核电站的体系中，存在着三个要害部位。
首当其冲的要害，是控制棒的自动控制系统。如果无法操纵控制棒，中子会不断“繁衍”，不断的核裂变反应就会持续生成热量。所以，控制棒是反应堆的“心脏”。
其次，热量交换过程中，循环系统的两个水泵也是整个系统的要害。申泮文形象地比喻到，如果两个水泵停止工作，那就相当于人的“肠梗阻”，不能把热量载运出来，那就麻烦了。
分析核危机：洒水挡不住“中子造反”
申泮文指出，核电站能否安全运行有三个方面的问题，一是科学技术基础是否正确，二是规章制度是否严密，三是管理是否合理。而在危机发生之时，则需要找准并及时扑救关键险情，以防止灾难的发生。
申泮文分析说，地震发生之后福岛市的电网瘫痪是引发核电站危机的第一因素。反应堆控制棒的自动操控系统和水泵，都要依靠电力带动，而地震引发停电之后，核电站的备用电机据称均被海啸冲毁。直至地震发生后的第九天，才最终接通电缆。
核电站反应堆不断升高的温度，表明控制系统确实完全“失控”。中子在不断“繁衍”，铀-235的核裂变反应也在不断进行；而另一方面，水循环系统遭到破坏，使得热量无法从“核芯”中被带出。
在这种情况下，申泮文指出最紧要的就是让中子“繁衍”停止下来。对于因停电而无法运转的自动设备，申泮文认为“凡是自动化的东西，都应该有手动部分”，应该想办法手动解决控制棒的操纵，从而让中子不再生成。
因停电导致的水泵无法工作则是另一个关键问题，这使得整个核电站的冷却系统失灵，无法将冷水注入循环系统。“其实可以用柴油发动机带动马达，尝试把冷水打进去。”申泮文说，如果这个方法也无法实现，则说明在设计上存在缺陷。
在申泮文看来，福岛的核危机持续很久未能解决，暴露出了很多技术问题和管理问题。他认为用飞机洒水等方式来处理，是不能解决“中子在里面造反的”。
而对于发生氢气爆炸的原因，申泮文根据自己掌握的有限资料分析认为，从化学角度讲，随着温度的不断升高，1000摄氏度以上的水，就会自发分解为氢和氧。加之金属氧化物和锆壳的催化作用，也降低了水的分解温度。同时，密封壳内的压力随温度升高而不断增强，因此有可能安全壳被爆出了一个小口，氢气随之外泄，在降温过程中与氧气自发结合便会产生爆炸。
点评核恐慌：切勿“庸人自扰”
随着福岛核电站几台机组先后传出爆炸声，人们对发生核泄漏的担忧也不断加重。恐慌情绪的蔓延，让部分地区公众出现抢购碘片、碘酒、碘盐等行为。
针对吃碘片可以防辐射的说法，申泮文强调这并不完全正确。争抢碘片、碘盐等含碘商品的逻辑是，人的甲状腺需要碘，为了防止核裂变后产生的碘-131这种放射性碘被人体吸收进入甲状腺中成为一个放射源，因此，可以服用碘片使得甲状腺中的碘达到饱和，饱和之后，放射性的碘-131就无法进入人体。
500克食盐中仅有15毫克碘化合物，要想通过吃盐的方式让甲状腺中的碘得到饱和，则需要吃6公斤盐。“其实海水中的海带、鱼虾等水生生物都有碘，甚至海风中也有碘。平常的食物、空气、土壤中也都含碘。”申泮文表示，我们人体内并不缺碘。
申泮文强调说，碘仅仅是核裂变产生的众多放射性元素中的一个，还有锶和钡等其他元素同样具有放射性，如果被人体呼吸进入身体，有可能附着在骨头中成为放射源，如此一来造成的伤害将会更为严重。
对于人们因日本核危机产生的恐慌，申泮文希望大家放心，切勿“庸人自扰”。
他呼吁大家以此为鉴，希望我们的核电站从此次日本核危机中总结经验教训，联合专家一起研究分析真正的问题根源，并及早采取防御措施，避免将来犯同样错误。
申泮文在讲座最后表示，因为福岛核电站的很多实际情况尚不明朗，他只希望个人的分析能够与大家交换意见，以使此次事件为我们的核电站发展留下镜鉴。
（本稿件未经申泮文本人审核，郝俊/整理）
《科学时报》 (2011-3-29 B4 视点)
